CN112158902A - 一种吸附式海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸附式海水淡化系统，包括冷凝室、吸附室、蓄冷箱、储热箱和蒸发室；蒸发室内设有蒸发盘管，海水流入蒸发室，储热箱通过外部循环管路通过蒸发盘管，海水产生蒸汽进入吸附室；吸附室设有吸附剂和吸附室盘管，包括吸附状态和解析状态；吸附状态时，利用外部真空系统对吸附室抽真空，判断吸附室中的温度是否处于吸附温度，若高于吸附温度，蓄冷箱中的冷却介质将通过循环管路流入吸附室中的吸附盘管后对吸附剂进行冷却，达到吸附温度；解析状态时，储热箱将加热介质循环送入吸附室盘管，吸附剂在吸附阶段吸附的水蒸气再次脱附解析；冷凝室内设有冷却盘管，吸附室解析的水蒸气流入冷凝室，在冷凝室中被冷却盘管冷凝，形成液态淡水。

Description

一种吸附式海水淡化系统

技术领域：

本发明涉及一种海水淡化的技术领域，尤其涉及一种蓄冷/储热不间断连续型吸附式海水淡化系统。

背景技术：

目前，全球已有超过10亿人生活在缺乏淡水的地区，人均淡水量呈现严重不足现状，预计到2025年将有多达35亿人面临缺水。而对于中国，超过1/3的土地仍面临着高或极高的水资源压力，这相对于全球来说属于中高水平。缺水会影响整个社会经济多个领域的协同运作与发展，因此需要不断探索新的水资源管理方式和人工制取淡水技术。

对于水资源的管理，中国及世界其它国家都已取得巨大进步，但人工制取淡水技术仍未取得大的突破。众做周知，地球上的海水资源十分丰富，因此海水淡化技术是当前及未来人工制取淡水的主要研究方向。目前，已经商业化的海水淡化技术主要有反渗透技术、多级闪蒸技术和多效蒸馏技术，且部分国家已开始规模使用，如沙特阿拉伯等西亚国家采用的多级闪蒸技术及欧美国家采用反渗透技术进行海水淡化。然而，实践应用表明：现有的海水淡化技术仍存在一些明显不足，如高品位能源的消耗及污染物的排放，膜/质交换器的腐蚀和堵塞，由管道腐蚀或换热器外表面的积盐或积垢所导致的高维护费用。

上述现有海水淡化技术利用传统能源进行海水淡化会消耗大量的资源、增加温室气体的排放。而太阳能、风能和地热等新兴能源由于其可再生和绿色无污染等特性，将是海水淡化驱动力新的发展方向。但是，上述新兴能源都一个明显的缺点，就是具有间隙性、不连续性和区域限制性。如太阳能海水淡化系统的一个明显缺点是它只能在白天有阳光的时候提供热能输入，如果淡水设备需要连续不间断运行，则需要其它额外大量的热源输入；风能驱动的海水淡化技术在沿海高风能地区有很好的应用前景，但风能和太阳能一样也具有间歇性的特点，难以支持海水淡化设备的持续运行；对于太阳能和风能，地热能虽然可以不间断地提供能源，但也存在区域限制和破坏局部地层热平衡的问题。因此，要想进一步充分利用上述具有不连续性和间隙性的新兴能源，需要增加一个中间储能装置，从而实现将不连续的太阳能和风能变为连续。

吸附式海水淡化是利用某些固体物质(如硅胶、沸石等)对水蒸气的吸附和解吸作用而工作,是一种由热能驱动的新型海水淡化技术，具有能量利用率高、对水质要求不高、对驱动热源温度要求低等优势。由于吸附式海水淡化装置的驱动力为热源，因此可以将不连续、不稳定的新兴能源或船舶废热直接高效的转换为热能进行储存，然后再供给给吸附式海水淡化装置，从而实现海水淡化装置的连续运行。专利CN201620479264.4和CN201120217120.9公开了一种利用太阳能、地热能驱动的吸附式海水淡化系统，该系统利用到了吸附式海水淡化技术及太阳能、地热能的利用。但是，上述系统仍未解决热源不稳定、不连续和区域限制的问题，因此具有进一步改进和创新的空间。

本发明针对现有反渗透、多级闪蒸和多效蒸馏技术以及专利CN201620479264.4和CN201120217120.9中提及的海水淡化技术仍存在的不足，提出一种新式储能型吸附式连续海水淡化系统，该系统利用相变储热材料进行太阳能、风能、船舶废热等不稳定能源的储存，同时在系统结构及控制策略上进行创新设计，从而实现具有蓄冷/储热功能的不间断连续型吸附式海水淡化系统。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种在于克服已有海水淡化技术的缺点，提出一种可以充分利用具有不连续、不稳定特点的太阳能、风能、潮汐能、船舶废热等能源，即利用高储热密度的相变储热材料进行电热转换储存，并在系统结构和控制策略上进行创新设计，从而实现海水淡化驱动端的冷源/热源稳定、连续输入，并提高整个海水淡化系统的效率，从而解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种吸附式海水淡化系统，其特征在于：包括冷凝室、吸附室、蓄冷箱、储热箱和蒸发室；其中，

蒸发室内设有蒸发盘管，海水流入蒸发室后，由储热箱通过外部循环管路通过蒸发盘管，海水产生蒸汽进入吸附室；

吸附室内设有吸附剂和吸附室盘管，包括吸附状态和解析状态，当吸附状态时，利用外部真空系统对吸附室抽真空，判断吸附室中的温度是否处于吸附温度，若高于吸附温度，蓄冷箱中的冷却介质将通过循环管路流入吸附室中的吸附盘管后对吸附剂进行冷却，达到吸附温度；当解析状态时，储热箱将加热介质循环送入吸附室盘管，吸附剂在吸附阶段吸附的水蒸气再次脱附解析；

冷凝室内设有冷却盘管，吸附室中解析出来的水蒸气流入冷凝室中，并在冷凝室中被冷却盘管外表面冷凝，形成液态淡水。

在一个实施例中，所述吸附室为两组，每组吸附室的吸附状态和解析状态交替进行，当其中一组为吸附状态时，则另一组为解析状态。

在一个实施例中，由所述蓄冷箱的冷却介质通过循环管路进入所述冷却盘管后对冷凝室中的水蒸汽进行冷却。

在一个实施例中，还包括淡水箱，由所述冷凝室内的淡水由所述冷凝室的出水口通过管路进入淡水箱。

在一个实施例中，所述吸附剂为分子筛或多孔硅胶或氯化钙。

在一个实施例中，所述储热箱内还包括储热介质，所述储热介质包括八水氢氧化钡。

在一个实施例中，在所述蓄冷箱内还设有蓄冷介质。

在一个实施例中，还设有外部冷源，外部冷源通过相关管路同所述蓄冷箱连接。

在一个实施例中，还设有外部热源，外部热源通过相关管路同所述储热箱连接。

在一个实施例中，在所述吸附室和所述冷凝室之间及所述吸附室和所述蒸发室之间都设有真空阀。

本发明与现有技术相比具有的主要优点或积极效果是：

(1)本发明在吸附式海水淡化技术基础上增加了蓄冷和蓄热装置，尤其是蓄热装置。增加的蓄热装置可以将不稳定的太阳能、风能和废热能高效的转换为低品位热量进行储存，实现了系统吸附室的稳定加热解析和蒸发室的恒温蒸发，极大提高海水淡化系统的淡水制取效率和稳定性。所述蓄冷装置可采用常规蓄冷技术便可实现，且成本较低；所述的蓄热装置采用具有较高储热密度和蓄放热恒温的相变材料作为储热介质，其占地空间小，且可以将充足时段的间隙性能源充分储存，在缺乏时段通过释放储存的热量来保持热量的连续供应。

(2)现有吸附式海水淡化系统较为复杂，其左吸附室、右吸附室、冷凝室和蒸发室都需要独立的冷源和热源才能完成连续的海水淡化制取，设备投入较多、成本较大。本发明通过整个系统的优化，在循环管道上设计数个电磁阀、止回阀和三通阀便实现冷热源的连续交替和不间断淡水制取。整个系统的冷量和热量输入只需投入一台蓄冷箱和一台储热箱，便可以实现吸附室和冷凝室的同时冷却、吸附室和蒸发室的同时加热。此外，本系统设计还有一个积极效果就是进入吸附室、冷凝室和蒸发室的冷量和热量可以根据负荷变化进行动态调节，从而保证了整个系统的稳定运行。

综上，本发明的系统的优势最终体现为系统成本的降低与能源利用效率的提高。

附图说明：

图1为本发明一实施例中，具有蓄冷/储热功能的不间断连续型吸附式海水淡化系统的示意图；

图2为本发明一实施例中，具有蓄冷/储热功能的不间断连续型吸附式海水淡化系统的局部示意图。

图示中：

1、左吸附室

2、右吸附室

3、吸附剂

4、冷凝室

5、蒸发室

6、蒸发盘管

7、冷凝盘管

8、吸附室盘管

9、淡水箱

10、蓄冷箱

11、储热箱

12、外部冷源

13、外部热源

1-1～1-19循环管路电磁阀

2-1、三通调节阀

2-2、三通调节阀

3-1、单向阀

3-2、单向阀

4-1～4-4、真空阀

5-1、冷却循环泵

5-2、加热循环泵。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1并结合图2，在本发明的一个实施例中，本发明具有储热功能的不间断连续型吸附式海水淡化系统，主要包括吸附/解析室(1,2)、吸附剂3、冷凝室4、蒸发室5、蒸发盘管6、冷凝盘管7、吸附室盘管8、淡水箱9、蓄冷箱10、储热箱11、外部冷源12、外部热源13、循环管路电磁阀(1-1～1-18)、三通调节阀(2-1,2-2)、单向阀(3-1,3-2)、真空阀(4-1～4-4)、冷却循环泵5-1、加热循环泵5-2等部分组成。

所述吸附室分为左吸附室1和右吸附室2，两者结构完全相同，由吸附室外壳、吸附剂3、换热盘管8和真空室接口17组成。左吸附室1和右吸附室2工作时会在吸附和解析两种状态中循环交替进行，如左吸附室1处于负压吸附状态时，右吸附室2就处于常压解析状态，而当左吸附室1处于解析状态时，右吸附室2就处于负压吸附状态。两者之间的切换通过真空阀(4-1～4-4)之间交替开启/关闭来实现。

作为优选项，吸附剂3是一种固态多孔材料，对水蒸气的吸附能力极强，且可以在一定温度下再解析而还原，其在本系统中的作用是吸附蒸发室5中产生的海水蒸汽，在受热解析状态下又将吸附的淡水蒸汽释放给冷凝器。

作为优选项，吸附剂可以是高吸水性的分子筛或硅胶，也可以是单一的吸附剂或多种混合的复合吸附剂，但不限于这两种吸附剂及混合吸附剂。

蒸发室5主要由蒸发室外壳、淡海水进口14、浓海水出口15和蒸发盘管6组成，该蒸发室的特征在于蒸发盘管6置于蒸发室底部，海水进入蒸发室后仅浸没换热盘管，蒸发室上部预留部分空间，便于海水在低压下快速蒸发。蒸发室的蒸发热量来自储热箱11，储热箱11采用相变恒温储热，因此本设计蒸发室内的蒸发温度几乎趋于恒温。

冷凝室4主要由冷凝室外壳、淡水出口16、状态监测孔18、冷凝盘管7组成，该冷凝室的特征在于冷凝盘管7置于冷凝室顶部，来自吸附室1或2的淡水蒸汽在冷凝室顶部遇冷冷凝成液态淡水，然后汇聚于冷凝室底部，最后由淡水出口16排除，流向淡水收集箱9。冷凝室的冷量来自蓄冷箱10，进水流量或温度可以通过三通阀2-1实现调节。

储热箱11为相变热储存装置，作用在于吸收储存来自外部热源13的热量，并给吸附室(1,2)和蒸发室5提供恒温热源。储热箱11的储热介质为相变储热材料，本系统可选用高储热性、相变温度适宜的相变储热材料作为储热箱储热介质，如无机水合盐相变材料。储热箱11可通过循环管道上的电磁阀(1-1～1-18)给吸附室(1,2)交替提供热量，通过三通阀2-2给蒸发室5提供所需热量。

蓄冷箱10为蓄冷水箱，作用在于储存来自外部冷源12提供的冷量，并给吸附室(1,2)和冷凝室4提供恒温冷源。蓄冷箱10的蓄冷介质采用水或低浓度乙醇溶液。蓄冷箱10可通过循环管道上的电磁阀(1-1～1-18)给吸附室(1,2)交替提供冷量，通过三通阀2-1给冷凝室4提供所需冷量。

冷源12可以是地下冷却水或湖底冷却水，亦可以是制冷机组、冷却塔提供的冷却水或LNG汽化冷源提供的冷却水。

热源13主要是具有间隙性、不连续性特点的太阳能、风能或废热，也可以是由加热机组提供的稳定热源。

工作原理如下：

初始状态，海水由进口14流入蒸发室5，待流入蒸发室5中的海水完全浸没蒸发盘管6，并达到设定液位后，停止海水注入。

进一步，利用外部真空系统对吸附室1进行抽真空，此时真空阀4-1和4-4打开，真空阀4-2、4-3关闭。真空抽取过程中，系统将通过判断吸附室1中的温度是否处于吸附温度，若高于吸附温度，则蓄冷箱10中的冷却介质将循环流入吸附室1中对吸附剂3进行冷却(注：此时冷却介质的流向由管路通过三通调节阀2-1→单向阀3-1→循环管路电磁阀1-9→循环管路电磁阀1-12→循环管路电磁阀1-14→冷却循环泵5-1后，直至达到设定吸附温度。

待吸附室1真空度达到设定值，且吸附温度也冷却到设定值，此时系统将自动关闭真空阀4-1和4-4，打开真空阀4-2和4-3。同时，外部真空系统将停止对吸附室1抽真空，转而向吸附室2抽真空。外部真空系统对吸附室2抽真空的过程中，系统同样会判断吸附室2的温度，如处于设定吸附温度之上，则蓄冷箱10中的冷却介质将循环流入吸附室2中，直至达到吸附温度。

上述吸附室2在抽真空和冷却吸附过程中，吸附室1处于解析状态，由于解析需要较高的温度，因此储热箱11需要将加热介质循环送入吸附室1中的换热盘管8中(注：此时加热介质的流向由管路通过加热循环泵5-2→循环管路电磁阀1-7→循环管路电磁阀1-8→循环管路电磁阀1-12→循环管路电磁阀1-13→循环管路电磁阀1-19→三通调节阀2-2后，使吸附室1中吸附剂3在吸附阶段吸附的水蒸气再次脱附解析。吸附室1中解析出来的水蒸气通过真空阀4-3流入冷凝室4中，并在冷凝室4中被冷却盘管7外表面冷凝，形成液态淡水。冷凝得到的液态淡水汇聚于冷凝室底部后，由淡水出口16流向淡水收集箱9。

待上述吸附室2中的吸附剂解析完成，且吸附室1中吸附剂也完成吸附，系统将切换吸附室1和吸附室2中的冷源热循环流向，并自动切换控制真空阀(4-1～4-4)和循环管路电磁阀(1-1～1-8)的开启与关闭，从而改变吸附室1和吸附室2的吸附/解析状态。

按照上述运行模式，重复循环，系统将实现从蒸发室海水中连续循环的制取淡水。此外，系统循环达到一定次数后，蒸发室中的海水浓度将不断上升。因此，在吸附剂不断吸附海水蒸汽的过程中，蒸发室会根据海水浓度和液位进行浓海水的排放和新海水的补入。

作为优选项，常见的水蒸气吸附剂包括但不限定于有分子筛、多孔硅胶和氯化钙，其中多孔硅胶对水蒸气有很强的亲和力，并且能够在相对低温下解吸所吸附的水蒸气。因此，本案例选用多孔硅胶作为吸附剂。

作为优选项，对于储热箱中的储热介质，根据多孔硅胶的解析温度范围，本案例选用相变温度适宜的八水氢氧化钡作为储热箱中的储热介质。八水氢氧化钡(Ba(OH)2·8H2O)是无机水合盐中储热密度较大的一种，其相变温度为78℃，相变潜热值可达260kJ/kg以上，因此非常适合于本案例用相变储热介质。对于蓄冷箱中蓄冷介质，根据吸附室设计冷却温度及冷凝室设计冷凝温度，选用水作为蓄冷介质即可满足系统冷却/冷凝要求。

案例具体实施步骤如下：

(1)初始状态，新注入海水从海水进口14流入蒸发室5中，待海水完全浸没蒸发盘管6，以及达到设定的液位后，停止海水注入；同时，开启蓄冷箱和储热箱进行预冷和预热，使最终蓄冷箱温度维持在15℃、储热箱温度维持在80℃。

(2)上述过程完成后，控制系统开启真空阀4-1和4-4，关闭真空阀4-2和4-3，同时外部真空系统通过真空接口17对吸附室1进行抽真空。真空抽取过程，蓄冷箱10开启冷却循环(循环路径为：2-1→3-1→1-9→1-12→1-14→5-1)对吸附室1中的吸附剂进行冷却。吸附室1冷却的过程中，吸附室2中进行的是加热解析过程，此时储热箱开启加热循环(循环路径为：5-2→1-1→1-2→1-3→1-4→2-2→3-2)对吸附室2中的吸附剂进行加热解析。

(3)当上述过程进行到一定程度后，若吸附室1达到了设定真空度(本案例设定真空度为3.168kPa)、吸附剂温度达到了设定冷却温度(本案例设定冷却温度为25℃)、吸附室2也完成了解析过程(即吸附室2中吸附剂温度达到75℃以上)，且总吸附/解析时长达到实验时长T(T为系统实验调试得出的吸附/解析时长)，控制系统将自动切换吸附室1和吸附室2的吸附解析状态，即吸附室1切换为解析状态，吸附室2切换为吸附状态

(4)当吸附室1切换为解析状态、吸附室2切换为吸附状态时，吸附室1中进行的将是加热解析过程，即储热箱开启加热循环(循环路径为：5-2→1-7→1-8→1-12→1-13→1-19→2-2→3-2)对吸附室1中的吸附剂进行解析，而吸附室2中进行的将是冷却和抽真空的吸附过程，即蓄冷箱开启冷却循环(循环路径为：2-1→3-1→1-10→1-6→1-2→1-3→1-5→1-11→5-1)对吸附室2进行吸附剂的冷却。

(5)吸附室1解析的过程中，真空阀4-2关闭、4-4开启，因此解析产生的淡水蒸汽将由真空阀4-4流向冷凝室4中。由于冷凝室4中冷凝盘管的温度为15℃，淡水蒸汽将在其外表面冷凝成液态淡水，液态淡水在重力的作用下掉落至冷凝室底部汇聚，最终由淡水出口16流向淡水收集箱9。

(6)上述吸附室1和吸附室2重复交替进行吸附和解析过程，便可实现淡水的连续制取。值得强调的是：蒸发室5在吸附室1和吸附室2交替进行吸附/解析的过程中，始终处于负压蒸发状态，蒸发所需热量来自加热循环的分流(循环路径为：5-2→1-7→1-8→1-12→1-13→1-19→2-2→1-17→1-18或5-2→1-1→1-2→1-3→1-4→2-2→1-17→1-18)，该分流流量大小系统会根据蒸发负荷的变化调节三通阀2-2的开度，实现蒸发负荷的动态匹配。同时，冷凝室4在吸附室1和吸附室2交替进行吸附/解析的过程中，始终处于15℃的冷却状态，冷却所需冷量来自冷却循环的分流(循环路径为：2-1→1-15→1-16→1-9→1-12→5-1或2-1→1-15→1-16→1-10→1-11→5-1)，该分流的大小系统也会根据蒸发负荷的变化调节三通阀2-1的开度，实现冷凝负荷的动态匹配。

本发明的创新点主要在于：

(1)所述具有蓄冷/储热功能的不间断连续型吸附式海水淡化系统，其特征在于具有蓄冷和储热功能，该功能可以最大化的利用具有不稳定性、不连续性特点的太阳能、风能、潮汐能和废热能等，大幅降低系统用能成本。

(2)所述具有蓄冷/储热功能的不间断连续型吸附式海水淡化系统，其特征在于外部冷源或热源短暂中断的情况下，系统仍能继续维持淡水的连续制取。同时，蓄冷箱和储热箱的恒温特性，可保证系统运行工况的平稳性，提升系统淡水制取效率。

(3)所述蓄冷箱的特征在蓄冷介质为廉价易得的水，所述储热箱的特征在于储热介质为高储热密度和相变恒温的相变储能材料，且相变温度能很好的于吸附室解析温度相匹配。

(4)所述具有蓄冷/储热功能的不间断连续型吸附式海水淡化系统，其特征在简化了传统多个热源和冷源并存的吸附式海水淡化系统。本系统特征在于仅有一个冷源(蓄冷箱)和一个热源(储热箱)，通过合理的管路设计，再配合三通阀、止回阀和电磁阀，实现了单个冷源同时冷却冷凝室和吸附室，以及单个热源的同时加热蒸发室和吸附室。

(5)所述具有蓄冷/储热功能的不间断连续型吸附式海水淡化系统，其特征在于系统可以根据冷凝室和蒸发室实际冷负荷或热负荷变动进行动态变比例调节，这种动态比例调节的关键作用在于平衡整个系统的能量输入平衡，因此整个系统的运行效率较高。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种吸附式海水淡化系统，其特征在于：包括冷凝室、吸附室、蓄冷箱、储热箱和蒸发室；其中，

蒸发室内设有蒸发盘管，海水流入蒸发室后，由储热箱通过外部循环管路通过蒸发盘管，海水产生蒸汽进入吸附室；

吸附室内设有吸附剂和吸附室盘管，包括吸附状态和解析状态，当吸附状态时，利用外部真空系统对吸附室抽真空，判断吸附室中的温度是否处于吸附温度，若高于吸附温度，蓄冷箱中的冷却介质通过循环管路流入吸附室中的吸附盘管后对吸附剂进行冷却，达到吸附温度；当解析状态时，储热箱将加热介质循环送入吸附室盘管，吸附剂在吸附阶段吸附的水蒸气再次脱附解析；

冷凝室内设有冷却盘管，吸附室中解析出来的水蒸气流入冷凝室中，并在冷凝室中被冷却盘管的外表面冷凝，形成液态淡水。

2.根据权利要求1所述的一种吸附式海水淡化系统，其特征在于：所述吸附室为两组，每组吸附室的吸附状态和解析状态交替进行，当其中一组为吸附状态时，则另一组为解析状态。

3.根据权利要求2所述的一种吸附式海水淡化系统，其特征在于：由所述蓄冷箱的冷却介质通过循环管路进入所述冷却盘管后对冷凝室中的水蒸汽进行冷却。

4.根据权利要求3所述的一种吸附式海水淡化系统，其特征在于：还包括淡水箱，所述冷凝室内的淡水由所述冷凝室的出水口通过管路进入淡水箱。

5.根据权利要求4所述的一种吸附式海水淡化系统，其特征在于：所述吸附剂为分子筛或多孔硅胶或氯化钙。

6.根据权利要求5所述的一种吸附式海水淡化系统，其特征在于：所述储热箱内还包括储热介质，所述储热介质包括八水氢氧化钡。

7.根据权利要求6所述的一种吸附式海水淡化系统，其特征在于：在所述蓄冷箱内还设有蓄冷介质。

8.根据权利要求7所述的一种吸附式海水淡化系统，其特征在于：还设有外部冷源，外部冷源通过相关管路同所述蓄冷箱连接。

9.根据权利要求8所述的一种吸附式海水淡化系统，其特征在于：还设有外部热源，外部热源通过相关管路同所述储热箱连接。

10.根据权利要求9所述的一种吸附式海水淡化系统，其特征在于：在所述吸附室和所述冷凝室之间及所述吸附室和所述蒸发室之间都设有真空阀。

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